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¿Qué es la dispersión Raman?

Explicación de la teoría del efecto Raman y su descubrimiento por el profesor Sir C.V. Raman.

Los científicos usan la espectroscopia Raman para conocer la composición química y la estructura de los materiales. Se enfoca una longitud de onda individual de la luz láser sobre la muestra. Una pequeña cantidad de luz interactúa con los enlaces químicos del material y cambia de color durante la dispersión. Puede usar un espectrómetro Raman para medir la dispersión inelástica de la luz y obtener información sobre la muestra. También explicamos las partes de un microscopio Raman y la importancia de cada una de ellas para obtener buenos espectros.

¿Qué es la espectroscopia?

La espectroscopia se utiliza para medir los colores y la intensidad relativa de la luz al contactar con los materiales. La espectroscopia indica la composición química, física o estructura electrónica de los materiales.

La luz interactúa con la materia de diferentes maneras, transmitiéndose a través de algunos materiales, y reflejándose o dispersándose en otros. Tanto el material como el color (longitud de onda) de la luz afectan en esta interacción.

La parte del espectro visible que llega a nuestros ojos determina los colores que percibimos. Por ejemplo, una sustancia podría parecer azul si absorbe las partes rojas del espectro de la luz sobre la que incide. Solo se reflejan o dispersan las partes azules del espectro visible, a la vista.

Distintos procesos de la luz fundamentales durante la interacción con el material. Distintos procesos de la luz fundamentales durante la interacción con el material.

¿Quién descubrió la espectroscopia Raman?

El proceso de dispersión Raman toma el nombre de su descubridor, el famoso físico indio profesor Sir Chandrasekhara Venkata Raman. Profesor C.V. Raman y su alumno K.S. Krishnan demostró que la luz cambia de color al atravesar un material transparente. Cambia de color y energía al interactuar con vibraciones moleculares. Es el proceso de dispersión Raman inelástico. En aquel momento, otros científicos reconocieron el efecto Raman como una de las pruebas más convincentes de la teoría cuántica. Profesor C.V. Raman fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1930 por este gran descubrimiento.

El profesor Raman descubrió el efecto Raman en 1928. No obstante, han transcurrido unas décadas hasta que los avances en los láseres, detectores e informática han apoyado el desarrollo de sistemas Raman eficientes. La espectroscopia Raman es ahora una herramienta esencial tanto en laboratorios como en entornos de fabricación.

Explicación de la espectroscopia Raman

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¿Cómo se detecta el efecto Raman?

El efecto Raman se mide con un espectrómetro Raman. El primer paso consiste en iluminar la muestra con un color de luz individual, como un tipo de láser. Si incide luz azul sobre un material, lo más probable es que este refleje una luz azul. La mayor parte de la luz que se dispersa no sufre cambios en su energía (luz dispersada Rayleigh).

Solo 1 parte en 10 millones de la luz dispersada es Raman. Con un espectrómetro Raman, puede detectar la luz dispersada Raman que ha cambiado de color y desviado la frecuencia. Ha cambiado su frecuencia porque, durante el proceso de dispersión debido a la interacción con las vibraciones moleculares. La dispersión Raman se debe a que algunos fotones (partículas de luz) intercambian parte de su energía con las vibraciones moleculares del material.

¿Cómo mide la espectroscopia Raman los modos de vibración?

La espectroscopia Raman mide la diferencia de energía entre los modos de vibración analizando la luz dispersada. La dispersión se produce cuando un fotón polariza la nube de electrones de una molécula y la eleva a un estado de energía “virtual”. La dispersión Raman se produce si los fotones cambian la energía durante el proceso. Esto se debe a que la molécula activada se relaja y cambia a un estado de vibración superior o inferior al que tenía originalmente.

La dispersión Raman es inelástica porque los fotones cambian la energía interactuando con los niveles de energía vibratoria molecular. La dispersión Raman se denomina "Stokes" cuando la luz dispersada pierde energía. La dispersión Raman se denomina "anti-Stokes" cuando la luz dispersada gana energía.
La dispersión Raman Stokes se produce cuando la molécula pasa del estado base a un estado virtual, antes de descender a un estado de vibración de energía superior al que tenían originalmente. La dispersión Raman anti-Stokes se produce cuando la molécula inicia un estado de vibración excitado, pasa a un estado virtual y, después, se relaja en su estado base. Rara vez usamos la luz anti-Stokes Raman ya que es menos intensa que la de Stokes. No obstante, representa una información de vibración equivalente de la molécula.

Por el contrario, la dispersión Rayleigh se produce cuando la molécula vuelve a su estado de vibración base. Libera un fotón con la misma energía que el fotón incidente. Por tanto, la luz dispersada Rayleigh tiene la misma frecuencia y color que la luz incidente. La dispersión Rayleigh es aproximadamente 107veces más intensa que la luz dispersada Raman. Los espectrómetros modernos utilizan filtros eficientes para eliminar la luz dispersada Rayleigh. Esto facilita la detección de la dispersión Raman.

Diagrama de energía que muestra la dispersión Rayleigh y Raman
El diagrama de Jablonski muestra los cambios de energía durante la dispersión Rayleigh y Raman. S0, S1, S2 son niveles de energía electrónica típicos, con niveles de vibración de energía más altos.

El mecanismo de la dispersión Raman es como la espectroscopia de absorción de infrarrojos (IR), pero se usan distintas reglas de selección. Para que se produzca la dispersión Raman, se requiere un cambio en la polarizabilidad molecular durante la vibración. Se verán algunas vibraciones en el espectro Raman, pero no en el espectro infrarrojo, y viceversa. Por ejemplo, la espectroscopia Raman puede analizar los enlaces de carbono en el diamante, al contrario que la espectroscopia de absorción de infrarrojos.

¿Qué es el desplazamiento Raman?

El desplazamiento Raman es la diferencia entre la luz láser incidente y la luz dispersada. Este cambio de energía depende de la frecuencia de vibración de los átomos de la molécula. Mediante el estudio de las vibraciones moleculares, puede descubrir la composición química y estructural del material.

Un desplazamiento Raman o un cambio de energía alto indica que las vibraciones moleculares son de alta frecuencia. Esto se debe a átomos ligeros agrupados por enlaces fuertes. Por el contrario, un desplazamiento Raman o un cambio de energía bajo indica que las vibraciones moleculares son de baja frecuencia. Esto se debe a átomos ligeros agrupados por enlaces débiles.

Piezas de un microscopio Raman

Un microscopio Raman típico es inicialmente un microscopio óptico. Se completa con un láser de excitación, filtros Rayleigh, un espectrómetro y un detector. El efecto Raman es muy débil; solo alrededor de 1 parte de cada 10 millones de la luz dispersada cambia de color. Esto es demasiado débil para que pueda verse a simple vista, por lo que la luz se analiza con un espectrómetro Raman de alta sensibilidad.

Un microscopio Raman inVia de Renishaw se compone de:

1. láseres individuales o múltiples, que van desde el ultravioleta (UV244 nm) hasta el infrarrojo (IR1064 nm), seleccionables con un solo clic

2. lentes de objetivo de alta calidad para enfocar la luz en la muestra. Incluye alta confocalidad de 100x, objetivos de larga distancia de trabajo y opciones de inmersión

3. Filtros Rayleigh para separar la luz reflejada y dispersada de manera que el espectrómetro recoja solo la luz Raman

4. lentes de espectrómetro motorizadas que se optimizan automáticamente para cada longitud de onda láser

5. rejillas de difracción maestras de alta dispersión y duración para separar la luz Raman en sus colores constituyentes

6. un detector CCD estable sensible con refrigeración termoeléctrica (-70 ˚C)

7. un PC para control del sistema, obtención de datos y análisis automáticos

Diagrama de Qontor típico

Distribución óptica típica de un microscopio Raman confocal inVia™

¿Qué es la espectroscopia Raman?

Continúe la exploración de espectroscopia Raman y fotoluminiscencia (PL). Respondemos a sus preguntas sobre microscopia Raman, imágenes rápidas Raman, análisis de datos, y técnicas de análisis de fluorescencia y complementaria.

Explicación de la espectroscopia Raman